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Schleifringe sorgen für sichere Signalübertragung im Medizinroboter

Schleifringe
Sichere Signalübertragung hilft Medizinroboter bei der Frühmobilisierung von Intensivpatienten

Das Münchner Start-up Reactive Robotics geht neue Wege in der Frühmobilisierung von Intensivpatienten. Sie soll direkt im Patientenbett beginnen. Damit die Therapie gelingen kann, kommen auch Schleifringe von Servotecnica zum Einsatz.

Alessandro Gomarasca
Servotecnica, Nova Milanese, Italien

Klinische Studien haben bereits gezeigt, dass Intensivpatienten, die frühmobilisiert werden, zum Beispiel nach Schlaganfällen oder bei bestimmten neurologischen Indikationen, die Klinik im Schnitt 20 % früher verlassen können als Vergleichspatienten. Muss der Patient dafür aus dem Bett auf ein externes Therapiegerät bewegt werden, bringt der Transfer enorme Risiken mit sich. Deshalb soll die Frühmobilisierung jetzt mit Hilfe intelligenter Medizinrobotik deutlich einfacher werden.

In einem aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekt arbeiten Dr. Alexander König und sein Team von der Reactive Robotics GmbH daran, die bestmögliche Frühmobilisierung von Intensivpatienten bereits 24 Stunden nach der Einlieferung in die Klinik und direkt im Patientenbett zu gewährleisten. Dabei soll ein existierendes vertikalisierbares Pflege- und Rehabilitationsbett helfen, das mit einer robotisch unterstützenden Gangtherapie verknüpft ist. Ziel ist es, das Bett auto-adaptiv zu gestalten, so dass das Pflegepersonal dieses Gerät intuitiv und mit wenig körperlicher Eigenbelastung bedienen kann.

Robotisches Assistenzsystem muss zum Patienten passen

Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung liegt auf der Verbindung des Patienten mit dem robotischen Assistenzsystem. Während der Therapie soll die Bewegung der Beine durch den Roboter automatisiert, intelligent geregelt und kontrolliert und somit fortlaufend optimiert werden. Das Therapiesystem lässt sich von einer Pflegekraft in weniger als zehn Minuten am Patientenbett zum Einsatz bringen. Danach wird der Patient im Bett in eine annähernd vertikale Position aufgerichtet und kann bis zu dreißig Minuten mit robotischer Assistenz therapiert werden.

Individuelle Anpassung an die Medizinrobotik automatisieren

Das robotische Assistenzsystem hat zwei bewegte Arme die vor und zurück schwenken. Eine vollständige Drehbewegung erfolgt nicht. Bei der Beinmobilisierung wird das Gerät genau auf den jeweiligen Patienten angepasst. Gewicht, Größe und die zu bewegenden Beinmassen sind dabei entscheidend. Die Sensorik der Schwenkarme muss also genau „fühlen“, wie die Beine bewegt werden, um das richtige Bewegungsmuster auszuführen. Wird zum Beispiel ein Kissen unter die Beine des Patienten gelegt, sind diese nicht mehr komplett streckbar und der Therapieroboter muss automatisch reagieren. An jedem Arm sitzt deshalb ein Schleifring, der für die sichere Signalübertragung von den Kraftsensoren und Winkelgebern im Arm auf die außerhalb angeordnete Auswerteeinheit sorgt.

Signalübertragung unterstützt die Patientenmobilisierung

Die wichtigste Funktion eines elektrischen Schleifrings ist es, Signale oder elektrische Leistungen von einer festen auf eine mobile Struktur zu übertragen, um eine durchgehende Rotation zwischen beiden Seiten zu ermöglichen. Schleifringe bestehen daher aus einem außenliegenden Stator, der in der Regel feststeht, sowie einem innenliegenden Rotor. Der ständige leitende Kontakt kommt während der Rotation durch Edelmetallbürsten im Stator zustande, die auf Edelmetallringen am Rotor schleifen.

Für die Signalübertragung an jedem der beiden Schwenkarme sind zwölf analoge Signalleitungen für 0 bis 10 V erforderlich. Die Überwachung der Patientenposition und der Bewegungen des Gerätes ist für die Funktion wichtig, aber auch sekundär für die Sicherheit des motorisch stark eingeschränkten Patienten. Der Schleifring ist in der elektrischen Signalübertragungskette also das wichtigste Glied. Fällt er aus, kann die Maschine nicht mehr arbeiten.

Die optimalen Schleifringe für die Anwendung finden

Das Projektteam suchte für die Schleifringe nach einem europäischen Lieferanten mit Erfahrungen und Know-how in der Medizintechnik und stieß auf das italienische Unternehmen Servotecnica und seine deutsche Niederlassung in Raunheim bei Frankfurt/M. Die Servotecnica GmbH entwickelt und fertigt elektrische Schleifringe für jeden Einsatzzweck. Sie lassen sich für diverse Signalarten in unterschiedlichen Industrieanwendungen einsetzen. Vom Werkzeugmaschinenbau über den Verpackungssektor und die Medizin- und Pharmaindustrie bis hin zur Windenergie-Branche reichen die Einsatzmöglichkeiten.

Vorteile der Baureihe für das robotische Assistenzsystem

Das Projektteam von Reactive Robotics entschied sich für den Schleifring SVTS A 01-S-A-00/12–0250/0250-ST. Hinter dieser Artikelnummer verbirgt sich ein Schleifring mit robustem Kunststoffgehäuse, Standardflansch und hochpräzisem Edelstahlkugellager. Mit einem Außendurchmesser von 12,4 mm, einer Länge von 19,5 mm und 12 Stromkreisen, die jeweils für bis zu 2 A ausgelegt sind, bietet er hohe Leistung auf kleinem Raum. Die beidseitige Standardkabellänge von 250 mm lässt sich bei Bedarf ab Werk um das Vielfache dieses Wertes verlängern.

„Wenn der Roboter bis zur Serienreife entwickelt ist und alle Parameter, Schnittstellen und Kabellängen bekannt sind, können wir natürlich auch komplett vorkonfektionierte Schleifringe mit fertigen Kabelanschlüssen und individuell abgelängten Kabeln liefern, um die Montage zu vereinfachen,“ erklärt Christian Becker von Servotecnica die Leistungen des Unternehmens. Maximilian Grosse-Dunker, Projektingenieur bei Reactive Robotics ergänzt: „Wichtig bei der Auswahl war vor allem das kompakte Format der SVTS A 01-Schleifringe, da in der Konstruktion des Therapieroboters nur eingeschränkter Bauraum zur Verfügung steht. Hier hat uns Servotecnica gut beraten.“ Im ersten Prototyp war ein größer dimensionierter Schleifring eines anderen Anbieters eingebaut, der den Bewegungsspielraum für die Roboterarme zu stark einschränkte.

Störungsfreie Funktion der Schleifringe sicherstellen

Die kompakten, gekapselten Schleifringe der Baureihe SVTS A sind kugelgelagert und haben ein robustes Kunststoffgehäuse. Bei Bedarf sind aber auch Varianten mit Aluminiumgehäuse möglich. Der optimierte Schleifbahndurchmesser reduziert die Geschwindigkeit und erhöht so die Lebensdauer. Die hochwertige Goldbeschichtung der Laufbahn und des Abgreifers reduziert Störungen und sorgt für eine optimale Signalübertragung. Die Baureihe SVTS A 01, erhältlich in den Baugrößen 12 mm, 22 mm und 25 mm ist sogar mit bis zu 56 Schleifringbahnen für 2 A und 230 VAC lieferbar. Die Drehzahl von bis zu 250 min-1 ist für die Anwendung im Medizinroboter nicht wichtig, da ja hier keine volle Umdrehung stattfindet. Ins Gewicht fallen aber die kompakte und leichte Bauform sowie die hohe Lebensdauer von 107 Umdrehungen. Für den Therapieroboter haben bereits viele medizinische Einrichtungen Interesse bekundet, um Heilungschancen ihrer Intensivpatienten zu verbessern


Weitere Informationen

Zum Schleifring-Hersteller:

www.servotecnica.com

Zum Start-up:

www.reactiverobotics.net

Zum Frühmobilisierungsprojekt:

www.mobipar-projekt.de


Kontakt zur deutschen Niederlassung des Herstellers:

Servotecnica GmbH
Kelsterbacher Str. 20
65479 Raunheim
www.servotecnica.de



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